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Transistor-Kippschaltung
Die Erfindung betrifft eine Transistor-Kippschaltung nach Eccles-Jordan mit Parallelrückkopplung zwischen Ausgangs- und Eingangsstufe sowie mit einem dem Steuereingang der letzteren vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand. Die sogenannten Kippschaltungen nach Eccles-Jordan haben bekanntlich eine Kipp-Kennlinie vom Typ N-also eine Dynatron-Kennlinie.
Bei derartigen Kippschaltungen lassen sich die zum Kippen mindestens erforderlichen, am Steuereingang wirksamen Steuerspannungen-die sogenannten Schwellenspannungen-und deren Differenzdie Schalthysterese-stark herabsetzen, wenn dem Steuereingang ein nichtlinearer Reihenwiderstand vorgeschaltet wird, der ein in Durchlassrichtung gepolter Richtleiter-wie z. B. eine Gleichrichterdiode-oder auch die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors sein kann ; obwohl bei dieser Anordnung der nichtlineare Widerstand nicht als aktives Schaltungselement arbeiten kann, wird infolge der statischen Spannungskompensation eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit erreicht. Der nichtlineare Widerstand und der Transistor der Eingangsstufe bestehen zweckmässig aus Werkstoffen mit gleichen od. ähnl.
Temperaturkoeffizienten, wodurch eine fast vollständige Kompensation der Temperaturdrift erzielt wird. Weiters darf die Eingangsstufe der Kippschaltung in keinem ihrer beiden möglichen Schaltzustände vollständig gesperrt werden, so dass also der Transistor der Eingangsstufe stets einen gewissen Basisstrom bzw. Kollektorstrom führt. Die bei solchen Kippschaltungen am Steuereingang anliegende Steuerspannung verursacht im Eingangskreis einen Steuerstrom ; in vielen Fällen von Kippschaltungen mit besonders kleiner Schalthysterese stehen jedoch nur sehr geringe Steuerleistungen zur Verfügung, so dass zusätzlich ein Leistungs-Vorverstärker verwendet werden muss-mit allen zugehörigen Komplikationen.
Nach der Erfindung werden nun Transistor-Kippschaltungen nach Eccles-Jordan der eingangs beschriebenen Bauart derart vorteilhaft ausgebildet, dass der dem Steuereingang der Eingangsstufe vorgeschaltete nichtlineare Widerstand eine zur Eingangsstufe komplementäre Transistoranordnung istu. zw. vorzugsweise ein Verbundtransistor.
Diese Transistoranordnung kann nun zweckmässig aus mindestens einem Flächentransistor oder aus mindestens einem Feldeffekt-Transistor bestehen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Transistor-Kippschaltung nach Eccles-Jordan dargestellt.
Bei dieser Kippschaltung besteht die Eingangsstufe 1 aus zwei pnp-Transistoren und hat einen Steuereingang 2 ; ein weiterer pnp-Transistor wirkt als Ausgangsstufe 3 auf einen Schaltungsausgang 4.
In der Eingangsstufe 1 sind beide pnp-Transistoren zu einem sogenannten Verbundtransistor zusammengefasst, dessen Emitter am positiven Pol und dessen Kollektor über einen Widerstand 5 am negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 6 liegen. In der Ausgangsstufe 3 sind in gleicher Weise der Emitter und-über einen Widerstand 7-der Kollektor des pnp-Transistors an die Gleichspannungsquelle 6 angeschlossen, wogegen zwischen Basis und Emitter dieses Transistors eine Batterie 8 in Reihe mit einem Widerstand 9 liegt.
Die Parallelrückkopplung zwischen der Ausgangsstufe 3 und der Eingangsstufe 1 ist durch einen Widerstand 10 in einer Verbindungsleitung 11 vom Kollektor des Transistors der Ausgangsstufe 3 zum Steuereingang 2 und durch einen Widerstand 12 in der elektrischen Verbindung 13 zwischen dem Kollektor des Verbundtransistors der Eingangsstufe 1 und der Basis des Transistors der Ausgangsstufe 3 hergestellt.
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Ein Widerstand 14 in einer Leitung 15, die den Steuereingang 2 mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle 6 verbindet, sorgt dafür, dass die Eingangsstufe 1 stets einen ausreichenden Basisstrom führt, so dass die Eingangsstufe 1 immer leitend bleibt.
Elektrisch in Reihe mit einem Klemmenpaar 16, 17, dem die Steuerspannung zugeführt wird, liegt am Steuereingang 2 als nichtlinearer Widerstand eine aus zwei npn-Transistoren in Verbundschaltung aufgebaute Transistoranordnung 18 derart, dass die Basis des npn-Verbundtransistors mit der Klemme 16 und sein Emitter mit dem Steuereingang 2 unmittelbar zusammenhängt, während der Kollektor dieses npn-Verbundtransistors über einen allenfalls entbehrlichen Widerstand 19 an den Pluspol der Batterie 8 geführt und die Klemme 17 mit dem Emitter der Eingangsstufe 1 elektrisch verbunden ist.
Wenn bei geschlossenem Steuerstromkreis die am Klemmenpaar 16, 17 anliegende Steuerspannung den Wert Null aufweist, fliesst über die Basis-Emitter-Strecke des Verbundtransistors 18 und der Eingangstufe 1 ein wesentlich vom Wert des Widerstandes 14 abhängiger Strom in Durchlassrichtung. Dabei entsteht über der Transistoranordnung 18 und der Eingangsstufe 1 ein Spannungsabfall, durch den die Emitter-Basis-Strecken in Durchlassrichtung vorgespannt sind. Der pnp-Verbundtransistor der Eingangstufe 1 befindet sich infolgedessen in voll leitendem Zustand und weist dabei ein nur geringes EmitterKollektor-Potential auf, während die Ausgangsstufe durch die Wirkung der Batterie 8 und des Widerstandes 9 gesperrt bleibt.
Sobald die Steuerspannungsquelle das Potential der Klemme 16 gegenüber der Klemme 17 positiv anhebt, steigt der Basis-Emitter-Strom des npn-Verbundtransistors an, wobei der Basisstrom der Eingangstufe 1 ab- und deren Kollektorspannung zunimmt, die nun die Ausgangsstufe 3 über die Verbindung 13 in den leitenden Zustand steuert, bis die Schaltung schliesslich in eine elektrische Lage kippt, bei der die Ausgangsstufe 3 voll und die Eingangsstufe 1 nur schwach leitend ist. Beim Rückgang der Steuerspannung um den Betrag der Spannungshysterese kippt die Schaltung wieder in ihre Ruhelage zurück.
In der beschriebenen Kippschaltung ist der Wert der zur Aussteuerung erforderlichen oberen Schwellenspannung gleich der Differenz der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoranordnung 18 und der Eingangstufe 1. Wegen der Kennlinienkrümmung der Basis-Emitter-Diode der Transistoranordnung 18 wird auch die Differenz zwischen der oberen und der unteren Schwellenspannung, die Schalthysterese, sehr klein. Damit die Kippschaltung regenerativ wirken kann, muss natürlich der differentielle Widerstand der Basis-Emitter-Diode des npn-Verbundtransistors grösser sein als der negative differentielle Widerstand der Kippschaltung.
Bei der dargestellten Schaltungsart tritt in der Transistoranordnung 18 keine Spannungsverstärkung auf, jedoch wird infolge des positiven Kollektoranschlusses in der Transistoranordnung 18 der von der Steuerspannungsquelle aufzubringende Steuerstrom um das Produkt der Stromverstärkungsfaktoren jedes der beiden aktiven Glieder des npn-Verbundtransistors herabgesetzt, so dass den Klemmen 16, 17 nur extrem niedrige Steuerströme zugeführt werden müssen.
Durch Wahl eines Werkstoffes mit gleichem Temperaturkoeffizienten für die Transistoren der Eingangstufe 1 und der Transistoranordnung 18 und deren Anordnung und Betrieb in der gleichen Temperaturebene wird eine fast vollständige Kompensation der Spannungsdrift bei Temperaturänderungen erzielt, d. h. die für die Steuerspannung geltenden Schwellenwerte der Kippschaltung werden unabhängig von der Temperatur.
In der beschriebenen Schaltung haben sich Flächentransistoren als besonders geeignet erwiesen, jedoch zeigen hier auch Feldeffekt-Transistoren, sogenannte Fieldistoren, ein günstiges Verhalten. An Stelle der Verbundtransistoren können einfache Transistoren treten, wenn nicht extreme Empfindlichkeiten erreicht werden müssen. Die Eingangsstufe 1 soll die gleiche Anzahl Transistoren aufweisen wie die Transistoranordnung 18. Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, alle in der Figur gezeigten Transistoren durch ihre Komplementärform zu ersetzen, wobei lediglich die Polung der Spannungsquellen vertauscht werden muss.
Die angegebene Kippschaltung kann als hochempfindlicher Zweipunktregler oder als Schwellenwertanzeiger dienen. Desgleichen lassen sich mit dieser Schaltung feinstufige Amplitudenvergleicher oder Impulsformer für Impulse mit sehr kleinem Energieinhalt aufbauen.
Auch bei hochempfindlichen lichtelektrischen Schalteinrichtungen findet die beschriebene Kippschaltung mit Vorteil Anwendung, wobei wenigstens einer der Transistoren der Transistoranordnung 18 oder der Eingangsstufe 1 als Phototransistor ausgebildet sein kann. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist bei Fehlerstromschutzschaltern gegeben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistor-Kippschaltung nach Eccles-Jordan, mit Parallelrückkopplung zwischen Ausgangsund Eingangsstufe sowie mit einem dem Steuereingang der letzteren vorgeschalteten nichtlinearen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, dass dieser nichtlineare Widerstand eine zur Eingangsstufe (1) komplementäre Transistoranordnung (18) ist.
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Transistor flip-flop
The invention relates to an Eccles-Jordan transistor flip-flop circuit with parallel feedback between the output and input stage and with a non-linear resistor connected upstream of the control input of the latter. The so-called flip-flop circuits according to Eccles-Jordan are known to have a flip-flop characteristic of the N type, i.e. a Dynatron characteristic.
With such trigger circuits, the control voltages that are at least required and effective at the control input - the so-called threshold voltages - and their difference, the switching hysteresis, can be greatly reduced if the control input is preceded by a non-linear series resistor, which is a directional conductor polarized in the forward direction - e.g. B. can be a rectifier diode or the emitter-base path of a transistor; although in this arrangement the non-linear resistor cannot function as an active circuit element, a substantial increase in sensitivity is achieved as a result of the static voltage compensation. The non-linear resistor and the transistor of the input stage are expediently made of materials with the same or similar.
Temperature coefficient, whereby an almost complete compensation of the temperature drift is achieved. Furthermore, the input stage of the multivibrator must not be completely blocked in either of its two possible switching states, so that the transistor of the input stage always carries a certain base current or collector current. The control voltage present at the control input in such trigger circuits causes a control current in the input circuit; In many cases of multivibrator circuits with particularly small switching hysteresis, however, only very low control powers are available, so that a power preamplifier must also be used - with all the associated complications.
According to the invention, transistor flip-flops according to Eccles-Jordan of the type described at the beginning are advantageously designed in such a way that the non-linear resistor connected upstream of the control input of the input stage is a transistor arrangement that is complementary to the input stage. between. Preferably a composite transistor.
This transistor arrangement can now expediently consist of at least one flat transistor or of at least one field effect transistor.
In the drawing, an embodiment of the inventive transistor flip-flop circuit according to Eccles-Jordan is shown.
In this multivibrator, the input stage 1 consists of two pnp transistors and has a control input 2; Another pnp transistor acts as output stage 3 on a circuit output 4.
In the input stage 1, both pnp transistors are combined to form what is known as a composite transistor, the emitter of which is connected to the positive pole and the collector of which is connected to the negative pole of a DC voltage source 6 via a resistor 5. In the output stage 3, the emitter and - via a resistor 7 - the collector of the pnp transistor are connected to the DC voltage source 6 in the same way, whereas a battery 8 is connected in series with a resistor 9 between the base and emitter of this transistor.
The parallel feedback between output stage 3 and input stage 1 is through a resistor 10 in a connecting line 11 from the collector of the transistor of output stage 3 to control input 2 and through a resistor 12 in electrical connection 13 between the collector of the composite transistor of input stage 1 and the base of the transistor of the output stage 3 made.
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A resistor 14 in a line 15, which connects the control input 2 to the negative pole of the DC voltage source 6, ensures that the input stage 1 always carries a sufficient base current so that the input stage 1 always remains conductive.
Electrically in series with a pair of terminals 16, 17 to which the control voltage is fed, a transistor arrangement 18 made up of two npn transistors in a composite circuit is connected to the control input 2 as a non-linear resistor such that the base of the npn composite transistor with terminal 16 and its emitter is directly related to the control input 2, while the collector of this npn composite transistor is connected to the positive pole of the battery 8 via a resistor 19, which may be dispensed with, and the terminal 17 is electrically connected to the emitter of the input stage 1.
If the control voltage applied to the pair of terminals 16, 17 has the value zero when the control circuit is closed, a current essentially dependent on the value of the resistor 14 flows in the forward direction via the base-emitter path of the composite transistor 18 and the input stage 1. This creates a voltage drop across the transistor arrangement 18 and the input stage 1, as a result of which the emitter-base paths are biased in the forward direction. The pnp composite transistor of the input stage 1 is consequently in a fully conductive state and has only a low emitter-collector potential, while the output stage remains blocked by the action of the battery 8 and the resistor 9.
As soon as the control voltage source increases the potential of terminal 16 positively compared to terminal 17, the base-emitter current of the npn composite transistor increases, with the base current of input stage 1 decreasing and its collector voltage increasing, which is now output stage 3 via connection 13 controls in the conductive state until the circuit finally flips into an electrical position in which the output stage 3 is full and the input stage 1 is only weakly conductive. When the control voltage drops by the amount of the voltage hysteresis, the circuit flips back into its rest position.
In the flip-flop circuit described, the value of the upper threshold voltage required for modulation is equal to the difference between the base-emitter voltages of the transistor arrangement 18 and the input stage 1. Because of the curvature of the characteristic curve of the base-emitter diode of the transistor arrangement 18, the difference between the upper and the lower threshold voltage, the switching hysteresis, is very small. So that the trigger circuit can act regeneratively, the differential resistance of the base-emitter diode of the npn composite transistor must of course be greater than the negative differential resistance of the trigger circuit.
In the type of circuit shown, no voltage amplification occurs in the transistor arrangement 18, however, due to the positive collector connection in the transistor arrangement 18, the control current to be applied by the control voltage source is reduced by the product of the current amplification factors of each of the two active elements of the npn composite transistor, so that the terminals 16 , 17 only extremely low control currents need to be fed.
By choosing a material with the same temperature coefficient for the transistors of the input stage 1 and the transistor arrangement 18 and their arrangement and operation in the same temperature level, almost complete compensation of the voltage drift in the event of temperature changes is achieved; H. the threshold values of the trigger circuit that apply to the control voltage become independent of the temperature.
In the circuit described, surface transistors have proven to be particularly suitable, but field-effect transistors, so-called field transistors, also exhibit favorable behavior here. In place of the composite transistors, simple transistors can be used if extreme sensitivities do not have to be achieved. The input stage 1 should have the same number of transistors as the transistor arrangement 18. Of course, it is readily possible to replace all of the transistors shown in the figure with their complementary form, with only the polarity of the voltage sources having to be reversed.
The specified trigger circuit can serve as a highly sensitive two-point controller or as a threshold value indicator. This circuit can also be used to set up finely stepped amplitude comparators or pulse shapers for pulses with very low energy content.
The described flip-flop circuit is also used with advantage in highly sensitive photoelectric switching devices, wherein at least one of the transistors of the transistor arrangement 18 or of the input stage 1 can be designed as a phototransistor. A further area of application is in residual current circuit breakers.
PATENT CLAIMS:
1. Transistor flip-flop circuit according to Eccles-Jordan, with parallel feedback between output and input stage and with a nonlinear resistor connected upstream of the control input of the latter, characterized in that this nonlinear resistor is a transistor arrangement (18) complementary to the input stage (1).